(57)【要約】【課題】二次電池の消費電力を増やさずに低温環境下の起動から通常運転開始までの時間を短縮し、また燃料電池を高出力化することなしに、空気ボンベ搭載前と同等の加速性能を維持できるようにすることを課題とする。【解決手段】低温起動時には空気ボンベ１７の圧縮空気を空気圧縮機３の二次側に切り換えて供給し、空気圧縮機３を膨張機として駆動した際の回生電力と電力補助装置１８の電力とを併せてヒータに供給して、通常運転開始までに要する時間を短縮する。高負荷走行時には空気ボンベ１７の圧縮空気を空気圧縮機３の一次側に切り換えて供給することにより、空気圧縮機３に要求される圧縮仕事量を減らして負荷を低減し、燃料電池１に要求される最大出力性能を抑える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池に空気を供給する燃料電池用空気供給システムであって、
一次側から入力した空気を圧縮して二次側に圧縮空気を出力する空気圧縮手段と、
圧縮空気を保持する空気供給手段と、
前記空気供給手段の圧縮空気を前記空気圧縮手段の一次側又は二次側のいずれか一方に切り換えて供給する切換手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池用空気供給システム。
【請求項２】
低温起動時に、前記空気供給手段の圧縮空気を前記空気圧縮手段の二次側に供給するように前記切換手段を切り換え、この圧縮空気により前記空気圧縮手段を膨張機として駆動し、このとき得られた回生電力を用いて前記燃料電池を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用空気供給システム。
【請求項３】
高負荷走行時に、前記空気供給手段の圧縮空気を前記空気圧縮手段の二次側に供給するように前記切換手段を切り換え、この圧縮空気を前記燃料電池に供給するとともに、前記空気圧縮手段を出力制限又は停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用空気供給システム。
【請求項４】
高負荷走行時に、前記空気供給手段の圧縮空気を前記空気圧縮手段の一次側に供給するように前記切換手段を切り換え、この圧縮空気と大気導入による空気とを前記空気圧縮手段を介して前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用空気供給システム。
【請求項５】
低負荷走行時に、前記空気圧縮手段から出力された圧縮空気の一部を前記空気供給手段に供給するように前記切換手段を切り換え、この圧縮空気を前記空気供給手段に蓄えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用空気供給システム。
【請求項６】
前記燃料電池の空気極側に空気圧調整手段を設けるとともに、前記燃料電池の水素極圧力を前記空気圧調整手段の参照圧力とし、この参照圧力に応じて前記燃料電池の空気極圧力を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池用空気供給システム。
【請求項７】
前記空気圧調整手段は、開閉動作により流路の上流側と下流側とを連通又は非連通とする調圧弁と、前記調圧弁と連動して上下方向に移動自在に支持されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを一定の力で上方向に引き上げて前記調圧弁を閉じた位置に保持する空気圧調整用スプリングとを備え、
参照圧力として入力される前記燃料電池の水素極圧力が所定値以下の場合は前記空気圧調整用スプリングにより上方向に引き上げられた前記ダイヤフラムにより前記調圧弁を閉じて前記流路を非連通とし、前記燃料電池の水素極圧力が所定値以上の場合は、この水素極圧力と前記空気極圧力との差圧により前記ダイヤフラムを下方向に引き下げることにより前記調圧弁を開いて前記流路を連通とすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用空気供給システム。
【請求項８】
前記空気圧調整用スプリングの支持位置を変化させるための空気圧補正用駆動サーボモータを備え、この空気圧補正用駆動サーボモータにより前記空気圧調整用スプリングの支持位置を変化させ、前記ダイヤフラムを一定の力で上方向に引き上げる力の強さを変えることで前記燃料電池の空気極圧力を調整することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用空気供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用空気供給システムに関し、詳しくは、燃料電池自動車の燃料電池に空気を供給する燃料電池用空気供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車（以下、ＦＣＶ）は、燃料電池に水素と空気を供給して発電を行い、ここで得られた電力によりモータを駆動する電気自動車である。このようなＦＣＶに関する公知技術として、車両減速時の回生制動エネルギーにより圧送ポンプを駆動して空気を取り込み、酸化剤ガス分離器により分離した酸素を酸素タンクに貯蔵し、これを運転時のエネルギーとして利用することで燃費を向上させたものが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、燃料電池が過渡的に酸素不足の場合において、別系統の空気供給設備から空気を供給するように構成されたものが知られている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特許第３１３６０１５号公報
【特許文献２】特開平６−７６８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＦＣＶを低温環境下で長時間放置後に起動する場合、燃料電池内の純水が凍結するため解凍が必要となる。また、燃料電池を発電反応が起こるのに適した温度まで昇温する必要があり、通常運転開始までに時間を要する。燃料電池をヒータなどで加熱する場合、二次電池の消費電力が増加するため、コスト高となる。
【０００５】
また、ＦＣＶの燃費向上のために空気ボンベ（酸素タンクを含む）を搭載すると、部品点数及び容積の増加によって車両が大型化し、重量増となるため、空気ボンベ搭載前と同等の加速性能を維持するためには燃料電池の高出力化が必要となり、コスト高となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、二次電池の消費電力を増やすことなしに、低温環境下の起動から通常運転開始までの時間を短縮することができ、また空気ボンベを搭載した場合でも、燃料電池を高出力化することなしに、空気ボンベ搭載前と同等の加速性能を維持することができる燃料電池用空気供給システムを提供するものである。これを達成するため、本発明は、水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池に空気を供給する燃料電池用空気供給システムであって、一次側から入力した空気を圧縮して二次側に圧縮空気を出力する空気圧縮手段と、圧縮空気を貯蔵・排出可能な状態で保持する空気供給手段と、前記空気供給手段から排出された圧縮空気を前記空気圧縮手段の一次側又は二次側のいずれか一方に切り換えて供給する切換手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係わる燃料電池用空気供給システムによれば、低温起動時に空気供給手段に蓄えた圧縮空気を空気圧縮手段の二次側に切り換えて供給し、空気圧縮手段を膨張機として駆動することで得られた回生電力と二次電池の電力とを併せてヒータなどに供給し、燃料電池を昇温・解凍することにより、通常運転開始までに要する時間を短縮することができる。
【０００８】
また、高負荷走行時には、空気供給手段に蓄えた圧縮空気を空気圧縮手段の一次側に切り換えて供給することにより、一次側空気圧と二次側空気圧との差圧を少なくし、空気圧縮手段に要求される圧縮仕事量を減らして負荷を低減することができるため、燃料電池の高負荷ピーク値を下げて、燃料電池に要求される最大出力性能を抑えることができる。したがって、空気ボンベを搭載した場合でも、燃料電池を高出力化することなしに、空気ボンベ搭載前と同等の加速性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係わる燃料電池用空気供給システムを実施するための最良の形態を示す実施例として、本発明を燃料電池自動車の空気供給システムに適用した場合の実施例１，２を図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係わる燃料電池自動車１００の駆動系の構成を示す概略図である。図１において、太線は電力系の流れを示し、細線は制御指令、センサ信号等の弱電系信号の流れを示している。また、破線は空気の流れを示し、点線は水素（ガス）の流れを示している。
【００１１】
燃料電池１は、空気１０１中の酸素と水素１０２の供給を受けて発電を行うユニット（燃料電池スタック）である。空気１０１は大気導入又は空気ボンベ１７から供給され、水素１０２は水素ボンベ４から供給される。空気ボンベ１７から燃料電池１への経路には三方弁７，８，９が接続され、これら三方弁の操作（開閉）はコントローラ６からの三方弁開度指令１０４により制御される。この三方弁７〜９を運転モードに応じて操作することで、空気１０１は空気圧縮機用電動機２に駆動される空気圧縮機３を介して、或いは空気圧縮機３を介さずに燃料電池１へ供給される。
【００１２】
図１において、コントローラ６により制御される三方弁７，８，９は本実施例の切換手段を構成する。また空気圧縮機用電動機２及び空気圧縮機３は本実施例の空気圧縮手段を構成し、空気ボンベ１７は本実施例の空気供給手段を構成する。更に、三方弁７，８，９、空気圧縮機用電動機２、空気圧縮機３、及び空気ボンベ１７は本実施例の空気供給システム２０Ａを構成する。
【００１３】
燃料電池１の発電量・出力は、運転者がアクセル５を操作してアクセル開度信号１０３をコントローラ６に送り、このコントローラ６から三方弁７〜９に対し三方弁開度指令１０４を出力して空気１０１の圧力・流量を調整し、またバルブ１０に対しバルブ開度指令１０５を出力して水素１０２の圧力・流量を調整することにより実現される。
【００１４】
燃料電池１で発電された直流の電力１０６は、コントローラからの出力指令１０７，１０８に基づいて、インバータ１１，１２で交流に変換、且つ電流値を調整されて走行用駆動電動機１３及び空気圧縮機用電動機２に供給される。走行用駆動電動機１３の出力はギヤ１４により回転数を調整されて駆動軸１５からタイヤ１６に伝達され、車両を駆動する。
【００１５】
次に、図１の燃料電池自動車１００において、通常走行時、低負荷走行時、低温起動時、高負荷走行時の各運転モードにおける動作を説明する。
【００１６】
（１）通常走行時（通常走行モード）
図２は、実施例１の通常走行時における空気及び電力の流れを示す模式図である。通常走行時において、燃料電池１は空気圧縮機用電動機２に駆動される空気圧縮機３から供給される空気１０１中の酸素と、水素ボンベ４から供給される水素１０２とを使用して発電を行う。すなわち、空気圧縮機３の一次側（吸い込み側）から取り込んだ大気を、空気圧縮機３の二次側（空気吐出側）の燃料電池１に圧縮空気として供給する。
【００１７】
（２）低負荷走行時（低負荷走行モード）
図３は、実施例１の低負荷走行時における空気及び電力の流れを示す模式図である。上記（１）の通常走行時において、燃料電池１の要求する空気圧力及び流量の値に対して空気圧縮機用電動機２及び空気圧縮機３の供給能力が上回る（要求する空気圧力及び流量が通常走行時よりも少ない）状態で、且つ空気ボンベ圧力信号１０９が所定値以下に下がった場合、コントローラ６からの出力指令１０８により空気圧縮機用電動機２及び空気圧縮機３を用いて燃料電池１が必要とする以上の圧力と流量の圧縮空気を供給し、三方弁開度指令１０４により三方弁７〜９を操作することで余剰な圧縮空気を空気ボンベ１７に送り込み、貯蔵する。そして、空気ボンベ圧力信号１０９が所定値以上になり次第、出力指令１０８を変えて、燃料電池１に供給する圧縮空気の圧力と流量を元に戻して通常走行モードに復帰する。
【００１８】
また、車両減速時に、タイヤ１６から駆動軸１５、ギア１４を介して走行用駆動電動機１３に加わる回転トルクにより回生電力を発生させ、この回生電力により空気圧縮機用電動機２を駆動して、余剰な圧縮空気を空気ボンベ１７に蓄えるようにしてもよい。
【００１９】
（３）低温起動時（低温起動モード）
図４は、実施例１の低温起動時における空気及び電力の流れを示す模式図である。燃料電池１を氷点下の低温環境で起動する場合、コントローラ６からの三方弁開度指令１０４により三方弁７〜９を操作することで空気ボンベ１７の圧縮空気を空気圧縮機３の二次側に供給し、且つ一次側を大気開放する。これにより、空気圧縮機３を膨張機として駆動して空気圧縮機用電動機２の出力軸を回転させることで回生電力を得る。この回生電力と二次電池やキャパシタなどの電力補助装置１８からの電力とを併せてヒータなどに供給し、燃料電池１が所定の温度に達するまで加熱する。
【００２０】
上記低温起動モードにおいては、燃料電池１を加熱する際に、空気ボンベ１７に蓄えた圧縮空気で得た回生電力を利用するため、電力補助装置１８のみを用いて加熱した場合に比べて通常運転開始までに要する時間を短縮することができる。また、電力補助装置１８の使用量を抑えることができるため、二次電池やキャパシタなどの低コスト化を図ることができる。更に、起動後において電力補助装置１８による車両加速補助の効果やその可能時間を向上させることができる。
【００２１】
（４）高負荷走行時（高負荷走行モード）
図５は、実施例１の高負荷走行時における空気及び電力の流れを示す模式図である。上記（１）の通常走行時に、過渡的に燃料電池１が高負荷状態となると、空気圧縮機３の一次側空気圧に対して二次側で要求される空気圧が上昇し、一次側空気圧と二次側空気圧との差圧が大きくなるため、空気圧縮機３を駆動する空気圧縮機用電動機２の負荷が増加する。そこで、高負荷走行時には、コントローラ６からの三方弁開度指令１０４により三方弁７〜９を操作することで空気ボンベ１７の圧縮空気及び大気を空気圧縮機３の一次側に供給して一次側空気圧を上昇させる。空気圧縮機３の一次側空気圧が上昇すると、二次側空気圧との差圧が少なくなり、空気圧縮機３に要求される圧縮仕事量が減るため、空気圧縮機用電動機２の負荷が低減される。このため、空気圧縮機用電動機２を小型化することが可能となる。また、燃料電池１の高負荷ピーク値（燃料電池に要求される最大出力）が下がるため、燃料電池１に要求される最大出力性能（燃料電池が実際に出力しなければならない最大出力値）を抑えることができる。
【００２２】
図６は、実施例１の高負荷走行時における他の空気及び電力の流れを示す模式図である。高負荷走行時に、コントローラ６からの三方弁開度指令１０４により三方弁７〜９を操作することで、空気ボンベ１７の圧縮空気を空気圧縮機３の二次側に供給して、燃料電池１に空気ボンベ１７からの圧縮空気を送り込むとともに、この間、空気圧縮機３を出力制限又は停止状態とする。このような駆動を行った場合においても、燃料電池１の高負荷ピーク値を下げて、燃料電池１に要求される最大出力性能を抑えることができる。
【００２３】
図７は、本実施例における燃料電池負荷と車両重量との相関を示す説明図である。ここでは、燃料電池自動車の車両重量と同一の走行状態における燃料電池出力の相関、及び燃料電池出力に占める走行用駆動電動機出力と空気圧縮機用電動機出力の内訳を示している。図７では、燃料電池出力のうち、電動機（２，１３）の消費電力のみを図示している。図中の３点（マル）が表す内容は以下の通りである。
【００２４】
マル１：空気ボンベ非搭載車両
マル２：マル１＋空気ボンベ追加（従来例：特許第３１３６０１５号）
マル３：マル２＋空気圧縮機用電動機出力制御追加（実施例１、図６）
上記マル１の場合は、燃料電池最大出力となる運転条件であると仮定する。次に、マル１に空気ボンベ１７を追加すると（マル１→マル２）、車両重量が増加することになる。このとき、マル１と同じ条件で車両運転を行う場合、燃料電池負荷が燃料電池最大出力を超えてしまうために、燃料電池１を高出力化する必要があり、コスト高となる。しかし、マル２で燃料電池最大出力を超える場合に空気圧縮機用電動機２の出力制限もしくは停止させて（マル２→マル３）、空気ボンベ１７から燃料電池１に空気を供給することで、燃料電池１の負荷を下げることができる。これにより、燃料電池１に要求される最大出力性能を抑えることができる。
【００２５】
したがって、空気ボンベ１７を搭載することにより、車両の大型化、重量増となった場合でも、燃料電池１を高出力化することなしに、空気ボンベ１７搭載前と同等の加速性能を維持することができる。
【００２６】
ここで、空気圧縮機３による回生電力の回収について説明する。図８は、空気圧縮機３を膨張機として用いた場合の入出力の関係を示す説明図である。本実施例では、実車に搭載される所定のコンプレッサを想定し、以下の条件で計算を行った。
【００２７】
膨張機効率η＝５０％
圧力比Ｐ 2／Ｐ 1＝１／２（２気圧の圧縮空気を１気圧に膨張させる）
流量Ｑ＝２０００ＮＬ／ｍｉｎ
の場合において、図８の式（１）より、空気圧縮機３を膨張機として駆動した場合に得られる軸出力は、Ｗｏｕｔ＝３．２ｋｗとなる。このとき、空気圧縮機３のコンプレッサ特性により、モータ回線数は５０００ｒｐｍ、トルク−４．０Ｎｍとなる。この状態でのモータ効率は８４．７％（実測値）であるため、回生電力は２．７ｋｗと算出される。したがって、圧縮空気と空気圧縮機３を用いた回生電力の回収は実用的に十分に可能となる。
【実施例２】
【００２８】
図９は、実施例２に係わる燃料電池自動車１００の駆動系の構成を示す概略図であり、実施例１（図１）と同等部分を同一符号で示している。
【００２９】
本実施例の空気供給システム２０Ｂでは、空気ボンベ１７から燃料電池１までの間にレギュレータ２１が接続されている。レギュレータ２１には、燃料電池１の水素極圧力が水素圧参照用経路１１０を通じて参照圧力として供給されている。レギュレータ２１は、この水素極圧力により空気ボンベ１７から燃料電池１へ供給される空気１０１の圧力及び流量を調整する。すなわち、燃料電池１の出力に応じてコントローラ６からバルブ１０に対しバルブ開度指令１０５を出力して水素１０２の圧力・流量を調整すると、このときの水素極圧力がレギュレータ２１に供給され、空気１０１の圧力及び流量が調整される。また、コントローラ６からレギュレータ２１に空気圧補正指令１１１を供給することにより、燃料電池１の空気極に供給される空気１０１の圧力を微調整できるように構成されている。
【００３０】
本実施例において、空気１０１の圧力・流量の調整はレギュレータ２１により行われるため、三方弁７〜９は実施例１の図２〜図６の経路を形成するために操作され、空気１０１の圧力・流量の調整はしていない。次に、レギュレータ２１の構成とその動作について詳細に説明する。
【００３１】
図１０は、レギュレータ２１の構成を示す概略断面図である。レギュレータ２１内に形成された流路２２には調圧弁２３が設けられている。この調圧弁２３の上流側は空気ボンベ１７に、また下流側は燃料電池１の空気極とつながっている。調圧弁２３の上部はダイヤフラム２４と連結されており、調圧弁２３はダイヤフラム２４とともに上下方向に移動可能となるように構成されている。更にダイヤフラム２４の上部には空気圧調整用スプリング２５が取り付けられ、ダイヤフラム２４を図の上方向に一定の力で引き上げている。すなわち、空気圧調整用スプリング２５はダイヤフラム２４を図の上方向に引き上げて、調圧弁２３を閉じた位置で保持している。通常、流路２２の下流側には燃料電池１の空気極圧力が加えられているが、参照圧力として供給される燃料電池１の水素極圧力が少ない状態では、空気圧調整用スプリング２５がダイヤフラム２４を図の上方向に引き上げる力が大きいため、調圧弁２３は閉じている。この状態から水素極圧力が上昇して空気極圧力との差圧が増加すると、ダイヤフラム２４を図の下方向に下げようとする力が発生し、その力が空気圧調整用スプリング２５がダイヤフラム２４を図の上方向に引き上げる力よりも大きくなると、ダイヤフラム２４が図の下方向に移動する。これにより、調圧弁２３が開いて流路２２の上流側と下流側が連通し、空気ボンベ１７からの圧縮空気が燃料電池１の空気極に流れ込む。この圧縮空気の流れ込みにより、空気極圧力は上昇し、水素極圧力との差圧は減少するため、調圧弁２３は閉じることになる。しかし、空気極内の空気は発電反応によって消費されるため、空気極圧力は次第に低下し、水素極圧力との差圧が発生するため、ダイヤフラム２４を図の下方向に下げようとする力が大きくなり、再び調圧弁２３は開くことになる。レギュレータ２１では、燃料電池１の運転中、調圧弁２３が上記のような開閉動作を繰り返すため、燃料電池１の空気極圧力を水素極圧力に応じて調整することができる。
【００３２】
また、燃料電池１の水素極圧力と空気極圧力との差圧が増加した場合、燃料電池１の故障又は破壊に至るおそれがあるが、本実施例の構成によれば、水素極圧力と空気極圧力との差圧を常に適正に制御することができるため、燃料電池１の故障又は破壊を防ぐことができる。
【００３３】
上記のような燃料電池１の水素極と空気極の差圧管理は高精度に行う必要がある。このため、空気圧調整用スプリング２５は、その支持位置が空気圧補正用サーボモータ２６により可変となるように構成されている。空気圧補正用サーボモータ２６の駆動量は、コントローラ６からの空気圧補正指令１１１により制御される。したがって、コントローラ６からの空気圧補正指令１１１により空気圧補正用サーボモータ２６を駆動して空気圧調整用スプリング２５の支持位置を変化させ、ダイヤフラム２４を図の上方向に引っ張る力の強さを変えることにより空気極圧力を微調整することができる。例えば、高負荷走行時には、空気ボンベ１７からの圧縮空気が燃料電池１の空気極に多く流れるように空気圧補正用サーボモータ２６を駆動して、空気極圧力を通常よりも上昇させることにより、高負荷走行に対応した量の圧縮空気を燃料電池１の空気極へ供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１に係わる燃料電池自動車の駆動系の構成を示す概略図。
【図２】実施例１の通常走行時における空気及び電力の流れを示す模式図。
【図３】実施例１の低負荷走行時における空気及び電力の流れを示す模式図。
【図４】実施例１の低温起動時における空気及び電力の流れを示す模式図。
【図５】実施例１の高負荷走行時における空気及び電力の流れを示す模式図。
【図６】実施例１の高負荷走行時における他の空気及び電力の流れを示す模式図。
【図７】実施例における燃料電池負荷と車両重量との相関を示す説明図。
【図８】空気圧縮機を膨張機として用いた場合の入出力の関係を示す説明図。
【図９】実施例２に係わる燃料電池自動車の駆動系の構成を示す概略図。
【図１０】レギュレータの構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１…燃料電池
２…空気圧縮機用電動機
３…空気圧縮機
４…水素ボンベ
５…アクセル
６…コントローラ
７，８，９…三方弁
１０…バルブ
１３…走行用駆動電動機
１７…空気ボンベ
１８…電力補助装置
２０Ａ…空気供給システム
２０Ｂ…空気供給システム
２１…レギュレータ
２２…流路
２３…調圧弁
２４…ダイヤフラム
２５…空気圧調整用スプリング
２６…空気圧補正用サーボモータ
１００…燃料電池自動車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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